刚刚！二维材料，再发Nature！

研究背景

螺旋自旋序是磁感应手性的表达，其功能是将材料中的偶极和磁序耦合在一起。由于螺旋自旋结构在多铁性材料和自旋电子学中的潜在应用，成为了研究热点。然而，其动态磁电耦合的确切性质和幅度至今仍未知。这一挑战阻碍了科学家对二维多铁性材料中手性磁电关联的全面理解。

成果简介

有鉴于此，得克萨斯大学奥斯汀分校Edoardo Baldini 教授以及马克斯-普朗克研究院Angel Rubio教授团队等人携手在Nature期刊上发表了题为“Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic”的最新论文，团队展开了对范德华多铁性材料的深入研究，特别是超薄极限下的手性磁电耦合。

为了应对这一挑战，研究人员使用了高精度的测量方法，针对剥离的范德华多铁性材料中的纯手性畴进行了动态磁电耦合测量。他们利用定制的激光脉冲来相干驱动一个电活性磁振子模式，并通过光学二次谐波产生（SHG）和克尔旋转显微镜实时跟踪由此产生的偶极和自旋螺旋顺序的调制。

这一研究取得了显著的结果，数据展示了在太赫兹频率下的巨大自然光学活性，其特征在于电极化和磁化分量之间的正交调制。进一步的第一性原理计算表明，这些手性耦合源于非共线自旋结构和相对论自旋-轨道相互作用之间的协同作用，显著增强了晶格介导的效应。

研究亮点

（1）实验首次在范德华多铁性材料中的单个手性畴内观察到了巨大的太赫兹磁电振荡。通过精密测量，研究团队成功捕捉到了该现象，证明了这种材料在二维极限下具有显著的动态磁电耦合特性。

（2）实验通过使用定制的激光脉冲相干驱动电活性磁振子模式，并利用光学二次谐波产生（SHG）和克尔旋转显微镜实时跟踪偶极和自旋螺旋顺序的调制，得到了以下主要结果：

研究数据展示了在太赫兹频率下的巨大自然光学活性，特征在于电极化和磁化分量之间的正交调制。这种活性表现为π/2的相位移，远远超过其他已知螺旋磁体的自然光学活性强度。
第一性原理计算表明，这些手性耦合源于非共线自旋结构和相对论自旋-轨道相互作用之间的协同作用。相对于晶格介导的效应，这种耦合显著增强了材料的磁电性质。
实验验证了范德华多铁性材料在超薄极限下具有独特的功能潜力，为开发运行在太赫兹速度的磁电设备铺平了道路。这些设备在手性自旋电子学和传感器件中具有重要应用前景。

（3）通过理论模型、密度泛函理论（DFT）和群论计算的综合分析，研究团队合理化了实验发现，突出了相对论自旋-轨道相互作用在巨大自然光学活性起源中的关键作用。

图文解读

图 1：NiI2的晶体结构和电磁子模式。

图2：静态和瞬态二次谐波产生（SHG）偏振测量。

图3：电极化和磁化动态。

图4：电磁子动态磁电耦合。

结论展望

本研究揭示了范德华多铁性材料在二维极限下的新颖功能和潜在应用。通过精确测量单个手性畴的动态磁电耦合，作者首次展示了在这些材料中存在的巨大自然光学活性，特别是在太赫兹频率下。这种活性表现为电极化和磁化分量之间的正交调制，标志着对时间反演对称性的破缺，以及空间反演对称性的反对称性。实验结果不仅证实了这种独特效应的存在，还通过光学二次谐波产生（SHG）和Kerr旋转显微镜技术的结合验证了其在微观长度尺度下的观测。

从理论角度来看，本研究通过紧束缚模型、密度泛函理论（DFT）和群论计算的综合分析，深入解释了这些发现的物理机制。特别是，非共线自旋结构与相对论自旋-轨道相互作用的协同作用被确认为巨大自然光学活性的根源。这些理论结果不仅加深了对材料内在性质的理解，还为未来设计和开发基于范德华多铁性材料的高速磁电设备提供了理论指导。

文献信息

Gao, F.Y., Peng, X., Cheng, X. et al. Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07678-5

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